Introducción a Visual Modflow

Transcripción

1 Introducción a Visual Modflow Abril 2008 Conceptos básicos MODFLOW es un programa gratuito desarrollado por el Servicio Geológico USA 1 para simular el flujo del agua subterránea, o más exactamente, la evolución de los niveles en las condiciones especificadas: bombeos, ríos, drenes, infiltración de las precipitaciones, etc. En su versión original y gratuita su utilización no es sencilla. En cambio, existen otras versiones que, utilizando el motor de cálculo original, le añaden una interfaz cómoda para el usuario, tanto para introducir las características del modelo como para observar al final los resultados. La más extendida es Visual Modflow 2 Visual Modflow incluye además a otros programas que fueron creados como complementos de MODFLOW; utilizan la salida de MODFLOW y nos proporcionar los siguientes resultados: MODPATH describe la trayectoria descrita por las partículas de fluido que le hayamos indicado; ZONE BUDGET calcula el balances hídrico de cada zona que establezcamos dentro del modelo, MT3D calcula el transporte de solutos,... 3 En Visual Modflow nos moveremos en tres escenarios distintos, que denominaremos Secciones : New... Input, para introducir datos: geometría del modelo, permeabilidades, caudales, etc. Run, para ejecutar el modelo Output, para observar los resultados de la Input ejecución Para pasar de una sección a otra es necesario pasar por el Menu Principal (Main Menu), en el que, con alguna excepción, las únicas acciones que podemos ejecutar son: Guardar (Save), Salir del programa (exit), o entrar en una de las tres secciones citadas arriba. Cuando abrimos Visual Modflow disponemos de dos posibilidades: Abrimos el Programa Open... Main Menu Crear un modelo nuevo (New...) Después de unos cuadros de datos generales, aparecemos directamente en la sección Input (si el modelo no existe es necesario asignarle geometría y propiedades) Output Abrir uno ya existente (Open...). En este caso aparecemos en el Menú Principal, donde podemos dirigirnos a cualquiera de las tres secciones indicadas arriba En el esquema general de la página siguiente se intenta resumir la estructura de funcionamiento del programa. Puede utilizarse como el índice de un libro: a partir del esquema, buscar la página correspondiente con explicaciones sobre esa parte. Este esquema, como el resto del documento, no incluye todas las posibilidades. Estas notas son válidas hasta la versión (Build 4.6). La versión actual (año 2014), denominada Flex es bastante diferente. Run Este manual se hizo sobre la versión 4. Ignoro el número de versión actual. Existen la versión estándar, la Pro y la Premium 3 Estos programas en su versión original también son gratuitos, los dos primeros del mismo USGS, el tercero no. F. Javier Sánchez San Román--Dpto. Geología--Univ. Salamanca (España) 1

2 Botones arriba izquierda, siempre presentes (Los números View Row 5 View Column View Layer Podemos ver el modelo en planta o en corte Goto Previous Goto Next Nos movemos de capa en capa, de fila en fila,... Indican nº de página) New... Inicio 1 er Cuadro: unidades 4 2º Cuadro: Régimen variable/permanente, valores generales de parámetros hidráulicos 3 er Cuadro: Dimensiones del modelo 1 Open... Inactive Cells Señalamos celdas que no usará el modelo Edit Grid, Smoothing Hacemos cambios en la cuadrícula Import Elevation Importamos la forma de la superficie del terreno, freática, etc. Add Well (Add Obs.) Añadir un pozo Delete Well (Delete Obs.) Borrar un pozo Edit Well (Edit Obs.) Cambiar algo en un pozo ya existente Move Well (Move Obs.) Mover un pozo Wells 7 Asign Asignamos propiedades distintas de las generales a partes del modelo Copy Si las diferentes zonas establecidas para Conductividad coinciden con las zonas de almacenamiento, podemos copiar la distribución de zonas Database Tabla con todos los valores. Para comprobar o hacer cambios Grid Asign Asignar el borde elegido a determinadas celdas Edit : Hacer cambios Erase: Borrar, eliminar Boundaries Copy: Copiar entre capas 10 En Boundaries, estos botones pueden variar según tipo de límite (boundary) con el que estemos trabajando 6 Properties 8 Pumping Wells Pozos de bombeo Head Obs Wells Pozos para observación de niveles Etc etc. Conductivity Storage Datos de coef. almacenamiento y porosidad Initial Heads Niveles piezométricos iniciales Constant Head Nivel Constante River Río Drain Dren Input MODFLOW 2000 Layers Indicamos si las capas son libres o confinadas Initial Heads Si hay niveles distintos de los introudcidos en Input Main Menu Run 13 Run Marcar MODFLOW2000, MODPATH, ZoneBudget y picar botón Translate&Run 14 Maps Output Graphs 16 Tools Cell Inspector Inspector de celdas Contouring Dibuja isolíneas de niveles o descensos Velocities Dibuja vectores velocidad Pathlines Dibuja trayectorias Zone Budget Volúmenes de entrada y salida de cada zona Add: Añadir partículas Delete: Eliminar partículas Tracking Invertir el sentido del trazado Copy: Copiar entre capas Particles 12 Asign Asignamos límites a las zonas para balance Delete: Borrar, eliminar Zone Budget Copy: Copiar entre capas 13 Botones abajo Map Para importar un mapa de la zona 5 Zoom in, Zoom out Acercar y volver a escala inicial Pan Para mover (cuando antes hemos hecho Zoom In) Vert exag (Exageración vertical) Para aumentar la escala vertical en corte Overlay Cuadro que controla que los niveles del dibujo sean visibles o no F. Javier Sánchez San Román--Dpto. Geología--Univ. Salamanca (España) 2

3 Hemos denominado secciones a los tres escenarios principales entre los que se mueve el programa. Al pasar de uno a otro cambia la barra de menús superior. Efectivamente, en la figura siguiente podemos ver el diferente aspecto de los menús y botones en las secciones Input, Run y Output: Dentro de cada uno de estas secciones nos moveremos entre diversas áreas de trabajo. Por ejemplo, en la sección Input podemos abrir el área Wells para introducir características de los pozos o el área Properties para indicar permeabilidades, porosidades, etc. A su vez, dentro de cada área hay varias posibilidades: por ejemplo, dentro de Properties podemos elegir Conductivity (para datos de conductividad) o Storage (para datos de coeficiente de almacenamiento y porosidades). Al cambiar de área de trabajo dentro la misma sección cambian solamente parte los botones de la izquierda (excepto los botones superiores View y Goto, que permanecen). Para movernos dentro de la misma sección (por ejemplo, para pasar desde Wells>Pumping Wells a Properties>Storage), podemos hacerlo utilizando los menús de la barra superior y sus opciones respectivas o utilizando la ventana desplegable que aparece en el centro de los botones a la izquierda En las tres secciones se mantiene la caja gris que se ve abajo a la izquierda. Nos indica la capa o fila o columna que estamos viendo. En el caso de las figuras de esta página nos indica que estamos viendo la capa superior (este ejemplo se compone de tres capas). Debajo aparece: X, Y, Z... Row, Column, Layer. Esto nos indica la posición actual del cursor; si movemos el ratón, observamos que esos valores cambian adecuadamente. F. Javier Sánchez San Román--Dpto. Geología--Univ. Salamanca (España) 3

4 Visual Modflow, al contrario que todos los demás programas, no dispone del precioso comando Deshacer (Undo, CONTROL-Z). Si hemos añadido un pozo, eliminado una capa o asignado unas permeabilidades, y deseamos deshacer lo realizado, no es posible por el procedimiento habitual, pero existe una solución simple: Al salir de una de las áreas de trabajo para pasar a otra, el programa siempre nos pregunta si queremos guardar el trabajo realizado: Es suficiente decir No y se perderán todos los cambios realizados desde que entramos en ese área de trabajo. Pasos iniciales Para crear un nuevo modelo, tras abrir el programa: File > New... Atención! Crearlo dentro de una carpeta, pues si se crea, en Mis Documentos o en C:, aparecerán allí varias docenas de documentos que se generan en el momento de crear el modelo, dífíciles de manejar. Aparecen sucesivamente tres cuadros que conviene rellenar con atención: cambiar después algunos de los datos que se introducen allí puede ser difícil. Cuadro 1º.- Nos ofrece unidades para todos los parámetros y variables. Por ejemplo, pueden cambiarse la conductividad hidráulica de m/seg a m/día y el caudal a litros/segundo, si esas son las unidades habituales de trabajo. Cuadro 2º.- Asignamos aquí los valores más generalizados en el ámbito de nuestro modelo para los parámetros hidráulicos: conductividad hidráulica, coeficiente de almacenamiento, porosidades,... Más adelante, asignaremos propiedades específicas a las partes del modelo que sean diferentes de esos valores generales. En este mismo 2º cuadro hacemos la elección de régimen permanente o variable: 4. A la izquierda podemos cambiar Steady State (permanente) por Transient Flow (variable) En el caso de elegir permanente, es necesario rellenar la casilla de la derecha (Steady State Simulation Time). El régimen permanente no depende del tiempo, y Modflow llegará a la misma solución final (los niveles alcanzados) independientemente del valor introducido ahí. No obstante, sí influirá en el volumen de agua que haya entrado por los límites del acuífero para alcanzar el equilibrio. Si no nos interesa este aspecto en Steady State Simulation Time escribimos: 1. Lógicamente, para que el modelo pueda funcionar en régimen permanente (para que los niveles puedan estabilizarse) deben existir salidas y entradas de agua, por ejemplo: un pozo que bombea y un río del que se obtiene el agua. Si diseñamos un modelo solamente con pozos de bombeo, no funcionará en régimen permanente. Cuadro 3º.- Se introducen las dimensiones físicas del modelo (por ej., 2000x3000 metros en planta, 30 metros en vertical, entre 810 y 840 metros de cota). No se puede especificar aquí el tamaño de las celdas; si le indicamos el tamaño total y el número de filas y columnas, el programa calcula el tamaño de celda. Posteriormente se podrá cambiar la extensión del modelo (.) y, no tan sencillamente, la cota vertical de cada celda (vers. 3:, vers. 4: ) En este tercer cuadro puede importarse un mapa de la zona de estudio (arriba: Import a site map), aunque esto puede hacerse también desde la sección Input. 4 En la versión 3 la elección permanente o variable no se ofrece aquí. En el momento de ejecutar el modelo aparecerá un pequeño cuadro con esta opción F. Javier Sánchez San Román--Dpto. Geología--Univ. Salamanca (España) 4

5 Planta o perfil En cualquiera de las secciones o de sus respectivas áreas de trabajo, permanecen los botones de la parte de arriba: Los tres primeros se utilizan para ver el modelo en planta o en Vista en planta corte: View Layer nos muestra cualquiera de las capas que forman el modelo, mientras que View Row o View Column nos permiten ver el modelo en corte, a lo largo de la fila o columna elegida. Por ejemplo, si estamos viendo el modelo en planta, picamos el botón View Row y después sobre la cuadrícula del modelo en una de las filas (la de color salmón en la figura de arriba), aparecerá la vista en corte a lo largo de esa fila: Como la escala horizontal y la vertical inicialmente son iguales, Vistas en corte normalmente el corte se ve demasiado aplastado para apreciar nada. Picando abajo en el botón Vert exag, aumentamos la escala vertical (cambia el aspecto, no influye en el cálculo del modelo): Goto Previous y Goto Next sirven para pasar de capa a capa (si estamos viendo en planta) o fila a fila si lo estamos viendo en corte a lo largo de las filas (y análogamente con las columnas). Introducción de un mapa de la zona Para dibujar en Modflow los pozos, el río, los contactos geológicos, el depósito contaminante, etc. necesitamos ver en pantalla la situación real de estas cosas sobre el terreno. Lo más sencillo es calcar un croquis a partir de mapas reales topográficos o geológicos, escanear el croquis y guardarlo como BMP, JPG o TIF (formatos habituales de imágenes). Para introducirlo en nuestro modelo, puede hacerse: a) en uno de los cuadros iniciales (donde se establecen el número de filas y columnas); b) ya dentro de la sección Input, picando en uno de los botones de abajo (F4 Map): Georeferencias: Para que el mapa importado se coloque exactamente donde deseamos, debemos indicar a Visual Modflow las coordenadas de dos puntos. Es muy simple: picamos en el punto de coordenadas conocidas y aparece un cuadro en el que escribimos su X e Y, y lo mismo con el segundo punto. Si, por ejemplo, estamos diseñando un modelo de 3000 x 2000 metros, y nuestro mapa rectangular efectivamente recoge esa misma zona, bastará con que piquemos en la esquina inferior izquierda y le asignemos las coordenadas X=0, Y=0, y después picamos en la esquina superior derecha y le asignamos X= 3000, Y=2000, como se indica en la figura adjunta: 2000 m X=0, Y= m X=3000 Y=2000 F. Javier Sánchez San Román--Dpto. Geología--Univ. Salamanca (España) 5

6 Input En esta sección se introducen y modifican todas las características del modelo: geometría (forma y capas del terreno, celdas para la modelización), propiedades hidráulicas, niveles iniciales del agua, captaciones (con sus características y caudales de bombeo), ríos, etc. En el caso de un modelo nuevo, trabajamos aquí antes de ejecutarlo. Después de ver los resultados, volveremos a Input una y otra vez para modificar lo necesario hasta que el funcionamiento del modelo resulte aceptable. Dentro de la sección Input, para pasar de un área de trabajo a otra, podemos utilizar los menús de la barra superior, o el menú desplegable que aparece a la izquierda de la pantalla. Por ejemplo, para introducir o modificar pozos de bombeo (pumping wells), en la primera figura hemos elegido dicha opción en el menú Wells, mientras que en la figura de la derecha hemos elegido Pump Wells en el menu desplegable: Input -> Grid (Cuadrícula) Edit Grid (Modificar la cuadrícula) Aquí usaremos la vista en plano para añadir, eliminar o mover filas o columnas. Usaremos la vista en perfil para añadir, eliminar o mover contactos entre capas. Si queremos añadir filas: Aparece un cuadro que nos permite añadir filas (con un clik), moverlas o borrarlas. La opción Refine by 2 multiplica por 2 el número de filas en el intervalo que señalemos entre dos cliks. Análogamente la opción Coarsen by 2 divide por 2 el número de filas en el intervalo indicado. (Por supuesto que el 2 se puede cambiar por otro número). Si vemos el modelo en corte, podemos elegir Edit Layers (modificar las capas) y las mismas operaciones que indicábamos en el párrafo anterior podemos realizarlas aquí para los contactos entre capas. Para que la transición del tamaño de una celda a la adyacente no sea tan brusco (por ejemplo, si hemos dividido una serie de filas a la mitad de su tamaño), podemos utilizar la opción, (suavizado) que hace que el paso de celdas grandes a pequeñas se haga gradualmente (Si lo usamos demasiadas veces, acabarán siendo todas iguales!). Import Elevation (Importar superficies) Mediante el botón podemos introducir la forma de la superficie del terreno o del contacto entre dos capas del modelo. Lo más cómodo es elaborar previamente un documento Excel con tres columnas: X, Y, Z. En las dos primeras columnas escribimos las coordenadas X,Y de situación del punto; en la 3ª columna la cota (topográfica o del contacto geológico). Con los puntos disponibles, Visual Modflow interpolará y generará una superficie continua para toda la extensión del modelo. (Ver Anexo, al final) F. Javier Sánchez San Román--Dpto. Geología--Univ. Salamanca (España) 6

7 Inactive Cells (celdas inactivas). Sirve para marcar celdas que el modelo no va a considerar, no existen para el modelo. Lo usual es utilizar la opción Mark Poly. Inactive (marcar polígono inactivo). Con sucesivos cliks se recorre la periferia de la zona deseada, y al final se cierra con un clik del botón derecho Mark Single (marcar una sola) señala celdas inactivas una a una. Mark Poly. Active (marcar polígono activo) se utiliza para convertir de nuevo en activas celdas que habían sido establecidas como inactivas Copiar las celdas inactivas en las otras capas Si hay varias capas, y se han establecido celdas inactivas por ejemplo en la capa 1 (Layer 1), normalmente hay que clonar esas zonas inactivas a las otras capas; si un sistema acuífero se termina lateralmente, lo hará para todas las capas o estratos horizontales. Si la zona inactiva no es idéntica en todas las capas, posteriormente visitamos el resto de las capas y aumentamos o disminuimos la zona inactiva que acabamos de copiar y pegar. Para copiar la zona inactiva desde una capa a las demás se usa la opción Copy Polygon: (aparece un cuadro): 1º marcamos un perímetro amplio que englobe la zona inactiva que deseamos copiar, después señalamos el resto de las capas, y OK. NOTA: A veces, después de actuar sobre una zona de la cuadrícula, aparece remarcada, así : No tiene ningún significado útil, si vamos a la capa siguiente, y volvemos a la que estábamos desaparecen esos cuadrados negros Input --> Wells (Pozos, sondeos) Podemos utilizar dos tipos de pozos: de bombeo (Pumping wells) y de observación de niveles (Head observation levels), o sea: piezómetros. Add well, Edit Well (Añadir pozo, modificar pozo) Menú Wells > Head observation well. Y en los botones de la izquierda: Add well para añadir un nuevo pozo, o Edit well para cambiar uno ya existente. En cualquier caso, aparece un cuadro con las características de la captación: Es obligatorio asignarle un nombre, caudal y zona de rejilla El caudal extraído hay que escribirlo negativo. Es muy simple asignar un caudal variable; en el esquema de la derecha se indica que se ha bombeado 5 días un caudal de 10 litros/seg, después estuvo 2 días parado, y finalmente se inyectó un caudal de 3,5 litros/seg durante los últimos 3 días La zona o zonas de rejilla (o filtro) pueden indicarse escribiendo los metros exactos donde comienza y termina, o si la ubicación no ha de ser precisa, es más cómodo indicarlas con el ratón, así: Picando en, el primer botón es para añadir rejilla, el segundo para quitarla. Otro procedimiento es aplicar el botón derecho sobre el dibujo del pozo, y aparecen la opciones siguientes: - Añadir rejilla (picar arriba y abajo del intervalo deseado) F. Javier Sánchez San Román--Dpto. Geología--Univ. Salamanca (España) 7

8 - Eliminar rejilla - Eliminar toda la rejilla - Todo el pozo con rejilla Add Obs., Edit Obs. (Añadir o modificar pozo de observación) Los pozos de observación son necesarios para calibrar el modelo. Para verificar que la geometría y los parámetros introducidos son correctos, que el funcionamiento del modelo refleja la realidad, debemos comparar la evolución de niveles calculada por Modflow y la evolución histórica de niveles que realmente sucedió en esa zona. Su manejo es similar al de los pozos de bombeo: Menú Wells > Head observation well. Y en los botones de la izquierda: Add Obs. (para añadir un nuevo pozo de observación), Edit Obs. (para cambiar algo en uno ya existente). Las diferencias respecto al pozo de bombeo son: 1ª. En lugar de rejilla aquí situamos una única ranura para medir el potencial hidráulico a esa profndidad exacta. 2ª. En lugar de especificar un caudal o caudales, aquí podemos indicar el nivel o niveles del piezómetro en los tiempos correspondientes (al menos un caudal es obligatorio en Pumping Well, aquí no es obligatorio indicar ningún nivel, si no introducimos ninguno, tomará el nivel inicial de la capa en la que está situado). Además de la utilidad fundamental explicada en el primer párrafo, si no introducimos niveles reales históricos, un pozo de observación también es útil porque nos mostrará (tras la ejecución del modelo, en la Sección Output) un gráfico expresando cómo ha variado el nivel a lo largo del tiempo. Input --> Properties (Propiedades) Los tres tipos de propiedades más importantes que se introducen aquí, aparecen al picar arriba en el menú Properties: Conductividad, Almacenamiento y Niveles Iniciales Conductivity (Conductividad Hidráulica ) Comenzamos por la conductividad hidráulica. Asignamos los valores deseados a las capas o partes de alguna capa que tengan una conductividad diferente de los valores generales asignados en el cuadro que apareció en el momento de crear el modelo nuevo. Vemos el modelo en planta, y nos situamos en la capa sobre la que necesitemos cambiar valores. Mediante el botón Assign podemos asignar valores de conductividad a una sola celda (Single), a un polígono que dibujaremos (Polygon), o a todo un rectángulo (Window). Si queremos asignar un valor de conductividad a toda una capa del modelo, lo más cómodo es utilizar Assign > Window, y señalar un rectángulo que cubra todo el modelo. Si dibujamos un polígono, terminamos con un clik en el botón derecho. Tanto si hemos señalado toda la extensión del modelo o si hemos marcado un polígono en una parte de él, aparece el siguiente cuadro: Si queremos asignar valores ya definidos para F. Javier Sánchez San Román--Dpto. Geología--Univ. Salamanca (España) 8

9 otras partes del modelo, los buscamos en, si se trata de establecer nuevos valores, se pica en y se escriben los valores de K en la columna Value. (Observamos que se pueden considerar valores distintos según x, y, z). Si hemos importado un mapa, en el área Properties, no lo vemos, y es necesario verlo si queremos dibujar una zona de conductividad siguiendo un contacto geológico. Esto sucede porque si estamos introduciendo Conductividades, esa capa tiene colores opacos (blanco, azul, verde,... para las diversas propiedades asignadas). Si queremos poder observar el mapa de la zona, picamos abajo en el botón F9 Overlay, y allí aparecen todos los niveles del modelo; en el Overlay de Conductivity (o Storage, el que estemos usando) picamos a la derecha, sobre los tres puntos : y en el cuadrito que aparece elegimos Outline (contornos) en vez de Solid colors (colores opacos). Storage (Almacenamiento) En el menú Properties >> Storage, podemos introducir valores de coeficiente de almacenamiento y porosidades total y eficaz. S s = Specific Storage. No es el conocido coeficiente de almacenamiento (en inglés, Storativity, S). El Specific Storage es igual al coeficiente de almacenamiento dividido por el espesor del acuífero: S s = S /espesor. Como el coeficiente de almacenamiento es adimensional, las dimensiones de S s resultan: 1/m. S y = Specific yield, Eff. Por. = Effecive Porosity. Se trata de conceptos equivalentes, pero no necesariamente de igual valor; habitualmente nos referimos a ambos en español como porosidad eficaz. Specific yield se refiere al volumen de agua obtenido por gravedad de un volumen de acuífero. Effecive Porosity se refiere a la parte de una sección por la que puede circular el agua. Tot. Por. se refiere, obviamente a la Porosidad Total. En este área de trabajo, donde introducimos el almacenamiento, también podemos utilizar el botón Assign asignar propiedades a polígonos o rectángulos, pero lo normal es que las distintas zonas que hemos definido el en área de Conductividades correspondan a las diferentes unidades hidrogeológicas, y por tanto esas delimitaciones nos interesen también para asignar diferentes valores de almacenamiento. Mediante el botón traspasamos las delimitaciones geométricas que hicimos en conductividades a los almacenamientos. Después es suficiente picar en y aparecen todas las zonas delimitadas a las que podemos asignar valores de almacenamiento en caso de que difieran de los valores generales que aparecen en el cuadro: Initial Heads (Niveles Iniciales) Nos permite asignar la superficie freática o piezométrica inicial. Seleccionando menú Properties >> Initial Heads, aparecen a la izquierda los botones necesarios: Assign > Single, Polygon, Window. Lo más sencillo es la opción Window, con ella señalar toda F. Javier Sánchez San Román--Dpto. Geología--Univ. Salamanca (España) 9

10 la extensión del modelo, y asignarle un valor. Igual que cuando asignábamos permeabilidades, vamos añadiendo diversas zonas, en el cuadro que aparece picamos en New, y en la nueva zona le indicamos su nivel (en la figura adjunta hemos asignado un nivel homogéneo de 640 metros a la capa seleccionada) Import. Para importar una superficie elaborada previamente con la forma de la superficie freática o piezométrica. Es similar a los que hemos indicado para importar una superficie topográfica o para los contactos entre las capas (Ver Anexo). Copy. Sirve para copiar los niveles de una capa a las otras. Tanto si hemos asignado unos niveles homogéneos (superficie inicial plana), como si hemos importado una superficie cualquiera, eso corresponde solamente a la capa (Layer) en que estuviéramos situados. Si cada capa tuviera unos niveles iniciales diferentes, habría que repetir la operación (Assign o Import) en las otras capas. En cambio, si las diversas capas tienen los mismos niveles iniciales, es más rápido copiar los niveles desde la capa en que los hemos establecido hacia las demás. Input --> Boundaries (Límites o Bordes) Con este nombre Visual Modflow se refiere a cualquier relación del modelo con el resto del mundo (excepto los pozos, que se tratan aparte). Los boundaries pueden estar situados: En la periferia del modelo: Si no especificamos lo contrario, los límites exteriores de nuestro modelo se comportarán como si el sistema acuífero estuviera encerrado en un enorme cajón de plástico, y eso no suele coincidir con la realidad. En el interior del modelo, algunas celdas representan algo ajeno al sistema acuífero como ríos, drenes horizontales, paredes impermeables,... En la parte superior del modelo: infiltración y evapotranspiración. Constant Head (Nivel constante) El nivel de la celda (normalmente una hilera de celdas) no variará suceda lo que suceda a su lado; funcionan como una fuente infinita de agua. Esto simulará un río o lago cuyo nivel no variará aunque el acuífero saque de él (o le aporte) enormes cantidades de agua. General Head (Nivel general) Normalmente se asigna a los límites exteriores del modelo para no tener que diseñarlo demasiado grande (para no incorporar al modelo toda la región en la que se encuentra la zona de interés). Si el área modelizada tiene 2000x3000 metros y no está encajada entre paredes impermeables, cuando los niveles oscilen dentro de ese área, se producirá un flujo de entrada o salida (de intercambio entre nuestro modelo de 2000x3000 metros y el resto de la región). Para simular eso se supone un esquema como el del dibujo de la derecha (copiado del Help del programa), Visual Modflow supone que a una cierta distancia (D) existe una masa de agua (río o lago) con un cierto nivel constante (Boundary Head). Segun el dibujo, habría un flujo desde el río (River) hasta las F. Javier Sánchez San Román--Dpto. Geología--Univ. Salamanca (España) 10

11 primeras celdas del modelo, pero si los niveles en el modelo subieran por encima del nivel del río, el flujo sería al revés. La idea es sencilla, pero lo que no parece sencillo es introducir los datos correctos en el modelo. Cuando introducimos una línea de General Head (botón Assign >> Line) aparece el cuadro siguiente: Además de asignar los posibles valores de Boundary Head = Nivel del supuesto río exterior al modelo Boundary Distance (D) = Distancia desde dicho río hasta nuestro modelo Average K = Conductividad Hidráulica media de los materiales entre el supuesto río y nuestro modelo. Face = East/West, North/South, Top/Bottom: Según vemos la cuadrícula del modelo en la pantalla, East/West sería flujo de izquierda a derecha, North/South de arriba a abajo y Top/Bottom perpendicular a las capas. Si está marcado en, con los valores de D, K y la superficie lateral de las celdas a través de las que se producirá el posible flujo, Modflow calcula el parámetro Conductance (Si no está marcado, podemos introducir el valor deseado de Conductance). Cuando queramos cambiar esto (botón Edit) ya no aparecen esos tres parámetros, sino solamente la Conductance calculada por Modflow. Otra posibilidad es borrarlo (botón Erase) y hacerlo de nuevo. Normalmente, se asignan unos valores posibles, y posteriormente se ajustan en el proceso de calibración del modelo. Lógicamente, el boundary General Head puede utilizarse también para representar una masa de agua que exista realmente y que esté a una distancia conocida del modelo, que le cede o toma agua de ella, pero en ese caso los parámetros distancia, nivel del lago o río y permeabilidad de la zona intermedia serían más fáciles de asignar. River (Río) Se dibuja una línea, y la hilera de celdas implicadas se comportan como un río que pierde o gana agua dependiendo del nivel del agua y de la permeabilidad del fondo del cauce. Modflow supone que el flujo es solamente a través del fondo del cauce y debemos indicarle la anchura del mismo (River Width) y (lo más problemático) el espesor (River Thickness) y conductividad hidráulica (Riverbed Kz) de los materiales que cubren el fondo. Stream (Corriente) Utilizado para simular las relaciones de las aguas subterráneas con las corrientes de agua superficiales, funcionamiento similar al río. Complicado. F. Javier Sánchez San Román--Dpto. Geología--Univ. Salamanca (España) 11

12 Drain (Dren) Simula el comportamiento de un dren, que normalmente extrae agua del terreno, funcionando como una línea de nivel constante. Wall (Pared, muro o barrera) Se utiliza para simular una pared vertical delgada y de baja permeabilidad, como las que pueden construirse para impedir el flujo horizontal del agua en casos de contaminación. Recharge, Evapotranspiration (Recarga, Evapotranspiración) Estos dos límites del modelo actúan sobre la capa superior 5, aportándole agua (Recarga) o quitándosela (Evapotranspiración). En ambos hay que especificar el intervalo de tiempo y la intensidad de la recarga o Evapotranspiración en mm/año o en las unidades elegidas al crear el modelo: Recarga: Evapotranspiración: En el segundo caso, Extinction Depth se refiere a la profundidad hasta la que actúa la Evapotranspiración. Input > Particles Los datos que introducimos aquí son necesarios para el funcionamiento de MODPATH. Ya indicamos en la Introducción que éste era un programa distinto de MODFLOW, desarrollado como complemento de éste para trazar las trayectorias descritas por las partículas del fluido que indiquemos previamente. Para marcar algunos puntos del modelo como partículas cuya trayectoria nos interesa calcular, en los botones que aparecen a la izquierda elegimos Add > Add Particle (o Add Line o Add Circle). Aparece el cuadro siguiente: Forward es para dibujar la trayectoria comenzando en el punto o puntos marcados como partículas. Backward es para marcar la trayectoria que llega al punto indicado. Aunque las partículas se hayan creado con una de los dos opciones, se pueden cambiar posteriormente mediante el botón de la izquierda. (Ver la figura correspondiente, unas páginas más adelante, en la sección Output > Pathlines) Ahora picamos en los lugares deseados para marcar determinadas partículas de agua cuya trayectoria nos dibujará el programa. Si hemos elegido Add Particle marcamos una por una, si hemos elegido Add Line o Add Circle, dibujamos una linea o un círculo, y en el cuadro que aparece escribimos cuántas partículas deseamos que distribuya a lo largo de la línea que acabamos de trazar. 5 La recarga puede asignarse a cualquier otra capa (esto se hará en la sección Run). F. Javier Sánchez San Román--Dpto. Geología--Univ. Salamanca (España) 12

13 Input > Zone Budget Los datos que introducimos aquí son necesarios para el funcionamiento de ZONE BUDGET (balance de zonas). Ya indicamos en la Introducción que éste era un programa distinto de MODFLOW, desarrollado como complemento de éste para calcular los balances entre las zonas que hayamos indicado, es decir los volúmenes de agua que pasan de unas zonas a otras. Al picar sobre el menú Zbud, aparecen a la izquierda los botones pertinentes, que nos permiten definir las zonas entre las que deseamos establecer balances. Dichas zonas se definen del mismo modo que las propiedades (Conductividad,...), como ya hemos visto: Asignar ventana o asignar polígono. También existe la función Copy, que también hemos descrito, para copiar las zonas trazadas en una capa a otras capas. Run Tras introducir todos los datos necesarios en Input, entramos en la sección Run para ejecutar el modelo. En la versión 3, en este momento aparece un pequeño cuadro que nos pregunta si deseamos ejecutar el modelo en régimen permanente o variable. En la versión 4, este cuadro no aparece, pues en los cuadros iniciales ya habíamos especificado eso. No obstante, si queremos cambiar (algunos modelos pueden ejecutarse como permanente y como variable), en la versión 4: en el Main Menu, antes de entrar en la sección Run, picamos en Setup >Edit Engines y aparece un cuadro en el que podemos cambiar entre régimen permanente (steady) y variable (transient). Modflow2000 Picando en la opción MODFLOW2000 del menú superior, aparecen diversas opciones o ajustes previos a la ejecución del modelo 6, entre las que destacamos las siguientes: Initial Heads (Niveles iniciales) En la Sección Input ya indicamos los niveles iniciales. Aquí podemos mantenerlos, con la primera opción (usar niveles especificados), importar una superficie (elaborada con Surfer) o utilizar como niveles iniciales los resultados de una ejecución anterior de Modflow. Layers (capas) Aquí podemos indicar al programa si las diversas capas deben comportarse como acuíferos libres o confinados: 6 Siguiendo la lógica del programa, parece que alguno de estos datos deberían introducirse en la sección Input F. Javier Sánchez San Román--Dpto. Geología--Univ. Salamanca (España) 13

14 Visual Modflow distingue cuatro tipos de capas: Tipo 0. Confinado. Los valores de transmisividad y almacenamiento permanecen constantes durante la simulación Tipo 1. Libre. Sólo elegible para la capa superior. El almacenamiento es constante, pero la Transimisividad varía al descender los niveles (lógicamente, ya que la T es el producto de la conductividad hidráulica por el espesor saturado del acuífero) Tipo 2. Confinado/Libre. El almacenamiento adopta valores de acuífero confinado o libre, según evolucionen los niveles. En cambio, la Transmisividad permanece constante Tipo 3. Confinado/Libre. (Las capas tienen este tipo si no lo cambiamos). Varía el almacenamiento como en el Tipo 2 y varía la Transmisividad como en el Tipo 1. Run Dentro de la sección Run, picamos en la opción Run del menú superior; aparece un cuadro, y en él marcamos MODFLOW2000; además, si hemos introducido partículas, marcamos MODPATH; y si hemos señalado zonas para balance debemos marcar también ZoneBudget. En cualquier caso, finalmene picamos el botón para ejecutar el programa. Output Es la sección final donde observamos los resultados de la ejecución del modelo. Como anteriormente, podemos observar el modelo en planta (en cualquiera de las capas) usando el botón View Layer, o en corte, utilizando los botones View Row o View Column. Aquí es especialmente útil la herramienta Zoom In (Botones de la parte baja de la pantalla) para observar zonas concretas del modelo. Maps Contouring (Mapas o cortes con isolíneas) Las líneas isopiezométricas o equipotenciales pueden verse en planto o en corte. El las dos figuras adjuntas se aprecian las isolíneas que representan los descensos alrededor de un sondeo que bombea. Puede elegirse : Map > Contouring > Heads: la rotulación de las isolíneas representa los potenciales hidráulicos Map > Contouring > Drawdown: la rotulación de las isolíneas representa los descensos producidos. F. Javier Sánchez San Román--Dpto. Geología--Univ. Salamanca (España) 14

15 Velocities (velocidades) Aparecen vectores velocidad. Inicialmente su longitud es proporcional a la velocidad, por lo que la mayor parte de las flechas dibujadas no son más que puntos. Picando en el botón hacemos que aparezcan todos los vectores velocidad de la misma longitud, indicando solamente la dirección del flujo. Pathlines (trayectorias) Solamente recogeremos estos resultados si en la sección Input habíamos incluído partículas (particles), y posteriormente en la sección Run habíamos ejecutado el módulo Modpath. En el menú Maps elegimos la opción Pathlines. Aparecen las trayectorias de las partículas que habíamos marcado. Si habíamos elegido Tracking Forward, aparece dibujada la trayectoria desde la partícula, si elegimos Tracking Backward aparecerá la trayectoria hasta la partícula. En la figura adjunta se muestran ejemplos de ambas en el flujo hacia un pozo: Si el modelo es de corta duración (unos días) es posible que las trayectorias dibujadas aparezcan como un punto, debido a que si las partículas se han desplazado unos pocos metros, eso puede que no se aprecie cuando en pantalla estamos viendo todo el modelo. A veces, utilizando el botón ZoomIn y proporcionando mucho aumento al dibujo, se llega a apreciar el recorrido efectuado por la partícula aunque sea relativamente pequeño. En el botón Options, a la izquierda, aparecen opciones interesantes para el trazado de estas trayectorias. Por ejemplo, los picos de flecha que aparecen en las trayectorias, el programa los dibuja en tramos recorridos cada 500 días; esa cifra se puede cambiar en el cuadro de opciones citado. Zone Budget (balance de zonas) Solamente recogeremos estos resultados si en la sección Input habíamos definido zonas, y posteriormente en la sección Run habíamos ejecutado el módulo ZoneBudget. Menú Maps > Zone Budget, botón Zbud Budget. Aparece este cuadro con todos los datos de entradas y salidas. Arriba, elegir la zona y el tiempo para los que se quiere ver el balance. F. Javier Sánchez San Román--Dpto. Geología--Univ. Salamanca (España) 15

16 Tools Cell Inspector Esta sencilla herramienta nos permite comprobar cualquier característica del modelo al pasar el cursor sobre las celdas: permeabilidades, niveles, descensos, etc. En la pestaña de la derecha elegimos lo que queremos inspeccionar: por ejemplo, a la dereha hemos seleccionado Head (nivel). Si hemos elegido Head, al volver a la pestaña nos muestra el valor del nivel en la celda donde esté situado el cursor. Graphs Time Series Si hemos introducido en el modelo un pozo de observación, podemos obtener el gráfico de la evolución con el tiempo del descenso (Drawdown) o del nivel (Head). En el ejemplo del dibujo, en el pozo de observación habíamos introducido tres niveles medidos en la realidad, que aparecen en el gráfico como cuadros más grandes. Si el modelo ha calculado descensos superiores, quizá hayamos especificado una permeabilidad inferior a la real. F. Javier Sánchez San Román--Dpto. Geología--Univ. Salamanca (España) 16

17 Anexo 1. Qué intervalos de tiempo considera Visual Modflow? Modflow resuelve, para un incremento de tiempo, un enorme sistema de ecuaciones lineales, tomando como datos de partida los niveles iniciales del agua en cada celda, y siendo los resultados los niveles finales del agua en cada celda. Esos niveles finales los considera como niveles iniciales para el siguiente incremento de tiempo. Los sucesivos incrementos de tiempo que adopta Modflow para efectuar su trabajo se denominan Steps (pasos). Veamos cómo los elige y cómo nosotros podemos influir en ello. Si ejecutamos el modelo en régimen variable (Transient Flow), Modflow tiene en cuenta los tiempos que hayamos especificado en los diversos elementos (pozos, ríos, etc.). Supongamos que en un modelo hemos introducido un pozo (pumping well) y un río (Boundary > River), y que los tiempos especificados para uno y otro son los indicados en el esquema adjunto (en el pozo por cambio del caudal, en el río por variación del nivel). En este ejemplo, Modflow Pozo Río Stress Periods días Caudal 1 Caudal días Nivel 1 Nivel días distinguiría cuatro intervalos de tiempo en los que ambas variables (caudal del pozo y nivel del río) permanecen constantes. Estos intervalos se denominan Stress Periods. Si el modelo incluye varios pozos, infiltración, evapotranspiración, ríos, drenes, etc., y los tiempos de cada uno de esos elementos no coinciden, el número de Stress Periods será muy grande. Dentro de cada Stress Period, Modflow divide el tiempo en 10 pasos (Time Steps) Estos 10 pasos no son iguales, sino que cada uno de ellos es un 20% mayor que el anterior. Para qué?: Por ejemplo, los efectos de un bombeo sobre los niveles en los primeros momentos son muy rápidos, después van ralentizándose, por eso conviene considerar al principio incrementos de tiempo menores y después progresivamente mayores. Estos dos ajustes (10 pasos en cada Stress Period y un 20 % de aumento en cada paso) pueden cambiarse antes de ejecutar el modelo: Menu MODFLOW 2000 > Time Steps: En la Sección Output y en régimen variable (Transient Flow), Visual Modflow nos muestra los resultados (por ejemplo, el mapa de descensos) para el primer Step del primer Stress Period. Para visualizar los resultados de steps posteriores, picamos los botones Next / Previous. Si deseamos ir directo a un tiempo concreto, picamos en Time y aparece el cuadro que se muestra a la derecha : F. Javier Sánchez San Román--Dpto. Geología--Univ. Salamanca (España) 17

18 Anexo 2.Trabajar con superficies no planas 7 En modelos sencillos, la superficie topográfica, los contactos geológicos entre capas y las superficies freática o piezométrica se pueden considerar planos horizontales. En muchos casos, esa simplificación no es suficiente: precisamos introducir una superficie irregular que represente la forma de un contacto entre capas, la superficie freática, etc. En el caso de la topografía podremos disponer de tantos datos como queramos, bastará con tomar la cota de una serie de puntos del área modelizada. Pero si se trata de un contacto geológico, quizá en un área de varios km 2 dispongamos solamente de tres sondeos que han cortado ese contacto geológico. De este modo dispondríamos de tres puntos, con sus coordenadas X,Y (obtenidas de la situación en el plano) y la Z (cota del contacto geológico, obtenida de los datos de la perforación). Análogamente, para establecer la superficie freática o piezométrica de un acuífero, dispondremos, en el mejor de los casos de unos pocos puntos en los que hemos medido la cota del agua dentro de perforaciones. Supongamos que hemos elaborado un 1000 modelos de 1500x1000 metros, y con dos capas entre 300 y 350 metros de cota; disponemos de la cota del contacto entre las Cota: 318 (410,862) dos capas en cuatro puntos: Medimos sus coordenadas (X,Y) en las coordenadas del modelo. Creamos un archivo Excel con tres columnas: 500 Cota: 331 (1280,556) Cota: 312 Cota: 326 (1045,210) (120,90) En cada línea, se define un punto: coordenadas X, Y, Z respectivamente en la 1ª, 2ª y 3ª columnas. Guardamos el documento Excel. En Input > Properties, picamos el botón En el cuadro que aparece elegimos Bottom of Layer 1 (base de la 1ª capa): Debajo, en Options, elegimos Import data, y debajo, en Data source, picamos en la carpeta amarilla: Aparece el siguiente cuadro, en el que hemos tenido que escribir 1, 2, 3 para indicar a Modflow que la coordenada X se encuentra en la columna 1, la Y en la 2 y la Z en la columna 3. Picamos en Next, luego en Finish. 7 Lo descrito en este Anexo no existe en la versión 3 de Visual Modflow. Es esa versión para importar superficies hay que elaborarlas en SURFER (otro programa) e importarlas desde Visual Modflow. Es muy sencillo. F. Javier Sánchez San Román--Dpto. Geología--Univ. Salamanca (España) 18

19 Finalmente, otro cuadro; elegimos coordenadas del modelo y le informamos que están en metros, OK, OK: A partir de esos 4 puntos, Visual Modflow interpolará una superficie continua en toda la extensión del modelo. Observando el modelo a lo largo de una fila, podemos comprobar que efectivamente ha importado la superficie: Aquí vemos la superficie completa 8 : Para introducir una superficie freática, el proceso es muy similar. En Properties > Inicial head, elegimos el botón Import. En el siguiente cuadro, picamos Browse y elegimos el archivo Excel que hayamos preparado. Después de indicarle (escribiendo 1, 2, 3) en qué columnas están las X, Y, Z, en el último cuadro (Interpolation Options), picamos en Interpolate y finalmente Next y Finish. 8 La geometría de los contactos normalmente no se muestra. Para observar esto, hay que picar abajo en el botón Overlay, y seleccionar C(I) Bottom Elev.; también hemos quitado la marca de Grid Gridlines para que no aparezca la cuadrícula F. Javier Sánchez San Román--Dpto. Geología--Univ. Salamanca (España) 19